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沃兰达雨水 谈谈高密度开发强度下海绵城市的建设方案探索
发布日期:2018年01月22日
     随着城市人口的快速增长,面对土地资源匮乏、人口和生态状况等现实问题,以高密度开发强度进行地块开发成为国内大中城市的必然选择,高密度开发的大面积硬化铺装、高容积率低绿化率、地下空间大面积开发、建筑零退线等因素使雨水下渗受阻,海绵措施的选择与布局受到限制,从而造成高密度开发区域的海绵城市建设及达标困难。

    本文依据超高密度开发强度的特点和问题需求,结合深圳市南山区某典型高密度开发地块的建筑方案提出不同的海绵城市达标策略,以期为其他同类型项目提供参考。

    海绵城市是通过加强城市规划建设管理,充分发挥建筑、道路和绿地、水系等生态系统对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用,有效控制雨水径流,实现自然积存、自然渗透、自然净化的城市发展方式。

    深圳目前已经进入深度城市化阶段,在城市发展用地少但用地需求大的矛盾下,高密度开发存量土地及城市更新成为深圳市的必然选择。高强度开发下的雨水缺乏“渗、滞、蓄”空间,高密度开发带来的大面积硬化地面或造成严重的面源污染和雨水峰值提前,会造成水环境污染和管网压力[2]。开发强度越大,对原有生态的破坏越明显,就需要通过更有力的生态方式来进行开发建设。


深圳市建设密度分区

深圳作为国家海绵城市第二批试点城市,已发布《深圳市海绵城市建设专项规划及实施方案》、《深圳市海绵城市规划要点和审查细则》等海绵城市规划及要求,划定的24个重点片区也纷纷编制海绵城市详细规划将指标落实到地块,从而纳入“两证一书”土地出让条件中。在和政府及设计单位的沟通中,高密度开发强度下如何达到指标要求成为规划编制和方案设计的难点。

1.项目概况

1.1 区位分析

规划地块位于深圳南山区的留仙洞总部基地,留仙洞总部基地是深圳未来又一重要的经济增长极,留仙洞承担总部基地、战略性新兴产业基地两大使命。留仙洞片区总体功能定位为:战略性新兴产业总部基地。

本片区规划范围内用地由8类用地组成,包括居住用地(R)、商业服务业用地(C)、公共管理与服务设施用地(GIC)、工业用地(M)、交通设施用地(S)、公用设施用地(U)、绿地与广场用地(G)、其他用地(E),规划总用地面积为172.31公顷。片区城市空间组织为“三廊七街坊”的空间结构,构建总部基地的环境特色和空间特色。

规划区区位分析

1.2 地块概况

根据《留仙洞总部基地控制性详细规划》,规划地块属于一街坊。规划开发建筑面积为100万平方米,净容积率7.0-9.1。以物联网、移动互联网为主导产业。规划地块用地类型为M0,用地面积39352平方米。建筑方案主要由三座塔楼(超高层)、四座裙楼(高层)及连廊组成,属于典型高密度开发,绿地面积仅有2162平方米。

规划地块平面及效果图

1.3 降雨

(1)短历时设计暴雨雨型

利用最新版的深圳市暴雨强度公式推求不同重现期下的设计雨量,依据芝加哥雨型方法得到的雨型分配结果如下图所示[3]。

短历时降雨

(2)长历时设计暴雨雨型

长历时暴雨雨型主要用于整个城市排涝系统,特别是包含排涝河道的系统设计,对于城市区域,一般选择6-24小时作为长历时的雨型统计时段。深圳全市域可分为九大流域,分属三个不同的水文分区,南山区属于深圳湾流域,采用珠江三角洲雨型进行分配。


长历时降雨1.4 水文地质

根据深圳市地质及土壤分布图,规划地块属于非软土区,全为赤红壤分布区。赤红壤由于氧化铁和氧化铝胶体形成的结构体,致使土壤的渗透性较好,滞水现象不严重。根据地质勘查报告,地块内有岩层覆盖,影响下渗。

根据深圳市地下水分布图,规划地块地下水埋深主要在2-4m,适用小型浅层渗透设施,大型深层渗透设施慎用。

1.5 海绵城市指标要求

根据《深圳市海绵城市建设专项规划及实施方案》、《南山区海绵城市专项规划》。规划地块的海绵城市指标主要为年径流总量控制率目标,包括下凹式绿地率、透水铺装率以及绿色屋顶率,各项控制指标如下表所示。其中年径流总量控制率为控制性指标,其他七项指标为建议性指标。指标结果如下:

规划地块海绵城市指标

根据对深圳市近30年的降雨资料进行统计分析得到的年径流总量控制率-日降雨量曲线,规划地块对应的控制降雨量为19.85mm。

2.海绵城市技术选择

根据对高密度建成区的本底特点及建筑方案。在南山区海绵城市技术适宜性评价表的基础上进一步结合规划地块特点进行筛选,可以考虑采用以下海绵城市技术措施。

2.1 常规海绵措施

(1)透水铺装

高密度开发区的首层地面宜采用透水铺装形式来降低不透水率、增强雨水下渗透,其宜用于非机动车道、停车场及轻交通路面。根据透水面层的不同,透水铺装可分为透水砖、透水水泥混凝土和透水沥青混凝土三种形式,透水铺装结构应符合《透水砖路面技术规程》(CJJ/T188)、《透水沥青路面技术规程》(CJJ/T190)、《透水水泥混凝土路面技术规程》(CJJ/T135)和《透水砖铺装施工与验收规程》DB11/T 686的规定。但应特别注意,消防车道不宜使用透水铺装。
透水铺装

(2)绿色屋顶
高密度开发区往往设计有裙楼及联通塔楼之间的连廊,此处宜采用绿色屋顶形式来减少屋面径流总量和径流污染负荷,绿色屋顶又分为简单式和花园式,基质深度根据植物需求及屋顶荷载确定,简单式绿色屋顶的基质深度一般不大于150mm,花园式绿色屋顶在种植乔木时基质深度可超过600mm,绿色屋顶的设计可参考《种植屋面工程技术规程》(JGJ155)。

(3)雨水花园
为充分利用高密度开发区的绿地空间,宜结合景观,在地块的汇水低点处设施复杂型雨水花园。雨水花园面积与汇水面面积之比一般为5%-10%。建议下沉高度为200-300mm,并应设100mm的超高,且应设置溢流设施。

2.2 高密度开发下特殊海绵措施

(1)蓝色屋顶

蓝色屋顶是调节通过增加限流设施对屋顶雨水径流进行临时滞留,有时也可以对少量径流进行暂时储存,延迟雨水径流到达下游管道的时间,从而降低峰值流量。目前主要的蓝色屋顶方式有两种:

一是提高屋顶雨水口高度形成一定高度的调蓄水位,并增加限流设施,使其在降雨初期流量较小时,屋顶径流量小于限流设施的过流能力,径流正常排放,屋顶不蓄水; 随着降雨强度的增加,屋顶雨水径流量逐渐增大,当流量大于限流设施过流能力时,屋顶开始蓄水,随着屋顶蓄水高度的增加,限流设施过流断面增加,排水流量也在增加,当屋顶调节水位达到限流设施最大调节水位时,屋顶雨水径流通过溢流口排放。

降雨后期随着雨强的减小,屋顶径流量逐渐减少,当屋顶径流量小于限流设施排放流量时,调节水位开始下降,限流设施的排水能力亦开始减小,直至屋顶雨水径流排完。这样就对雨水形成一定的滞、蓄作用,延缓雨水进入相邻排水管道的时间[4]。

二是在硬化屋顶铺撒一层蓄水材料(如陶粒)。通过铺设松散的蓄水材料层,降低了雨水在屋面的流速及增大了蒸发从而达到滞、蓄作用。优点:具有隔水保气作用和较高的强度;适用于超高层建筑屋面面积大又没有雨水回用需求的项目。难点:超高层屋顶风较大,铺设时需要考虑防风吹走材料的技术措施;要避让屋面设备基础等,并考虑检修人员的通行要求等。

目前深圳市腾讯大厦已经采用此方式进行设计。腾讯大厦采用的陶粒蓄水材料厚度200mm;孔隙度0.8。经过SWMM模型评估,腾讯大厦蓝色屋顶的年径流总量控制率约为65%。


蓝色屋顶

(2)雨水回用(调蓄)池

根据高密度开发地块对雨水回用的需求,合理确定雨水回用(调蓄)池的容积,雨水回用池宜收集屋顶、绿地等较为洁净雨水,经过沉淀、消毒等工艺后进行回用。也可仅作为雨水调蓄削峰用途,在进行雨水收集及初期雨水弃流后,错峰排出。高密度开发地块水量需求大且雨水处理成本低(约0.1-0.2元/m3),宜优先考虑空调冷却补充及地库及汽车洗车用水,可参考下表选用。(3)立面雨水收集

根据《绿色超高层建筑评价技术细则》,超高层建筑立面面积大,需充分收集立面雨水,经过处理后能够带来可观的节水量。高密度开发下超高层建筑比率较高,收集建筑立面雨水,导入室内后经过处理,用于空中花园的浇灌,实现建筑内部对雨水的吸收、消化利用系统化,不但能够利用自然雨水,减少了对地面排水系统的压力,用于浇灌空中花园,减轻了市政供水系统的压力。目前国内已有包括广州东塔等建筑采取立面雨水收集,取得良好的效果。

立面雨水收集

(4)高分子吸水材料

利用部分吸水高分子材料(如多孔纤维棉等)的吸水性质制作的有一定强度的高分子吸水材料,实现雨时吸水,旱时补水的作用。优点:集渗透、缓冲和排放功能于一体;渗透系数高、缓冲容量大;支持植物生长。缺点:使用成本高。

(5)地下空间顶板绿化

高密度开发区往往伴随大规模地下空间开发,要在有限的土地空间解决并达到海绵城市建设指标要求,并满足人们对居住环境的高要求,需要对地下空间顶板进行绿化。

根据GB 51192-2016《公园设计规范》对植物种植土层厚度的要求,种植层的厚度一般依据植物的种类而定:深根性乔木90-150cm、浅根性乔木60-90cm、大灌木45-60cm、花卉小灌木30-45 cm、草本15-30cm。顶板覆土厚度应满足植物生长的要求,以保证绿地的长期绿化效果。植物在经过几年生长之后会超出车库顶板的荷载要求,因此,植物不宜选择生长较快的种类,同时选择的植物要能耐寒、耐旱、耐贫瘠的种类。

3.地块达标方案

3.1 现有方案评估

对现有建筑方案的受雨面进行分析可知:裙房屋顶绿化比例21%、高层塔楼屋顶绿化比例49%、超高层屋顶不做绿化、首层地面铺装及绿化不做处理。


SWMM模型构建

建立地块SWMM模型,输入深圳市西部雨型区典型年分钟降雨及规划地块土壤数据,根据规划竖向确定汇流路径。模拟得现有设计方案年径流总量控制率为28%。远不能达到规划目标55%的要求。

3.2 优化方案一

在现有方案基础上进行优化设计;地面铺装85%采用透水铺装;首层地面绿化全部进行下沉式改造;裙房屋顶绿化比例提高至80%;高层屋顶绿化比例维持49%不变;超高层不做处理;

经过SWMM模型法评估及容积法核算。优化方案一对应年径流总量控制率为55%,满足目标要求。

3.3 优化方案二

在现有方案基础上进行优化设计:首层地面铺装85%采用透水铺装;首层地面绿化全部进行下沉式改造;裙房屋顶绿化比例提高至50%;高层屋顶绿化比例维持49%不变;超高层屋顶30%铺设陶粒进行蓝化处理;

经过SWMM模型法评估及容积法核算。优化方案二对应年径流总量控制率为55%,满足目标要求。3.4 优化方案三

在现有方案基础上优化设计:首层地面铺装不做处理;首层地面绿化全部进行下沉式改造;裙房以及高层屋顶绿化比例维持不变;设置520m3的调蓄池。

经过SWMM模型法评估及容积法核算。优化方案三对应年径流总量控制率为55%,满足目标要求。

不同方案比较

3.5 技术经济比较

海绵城市建设除经济收益外,还具有很强的外部收益,所以海绵城市的经济评价主要以国民经济评价为主,从国家整体角度考察项目的效益和费用,分析计算对国民经济的净贡献,从而评价海绵城市建设的经济合理性。对内容较为简单的某一项工程型技术措施,可以采用费用评估法进行评价,即将海绵城市项目方案和传统方案的一系列成本进行直接比较,从而评价具体项目的经济合理性[5]。

结合上述三个优化方案,结合《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》以及相关项目经验,确定各项海绵设施单价,分别估算上述三个优化方案地块海绵建设投资成本就比运行成本,评估其技术经济性,估算结果见下表:


优化方案经济比较

注:①优化方案一以及优化方案二海绵材料成本中,该成本为海绵设施总投资成本,未扣除原本就需要硬化铺装的费用;其中,透水铺装所占投资额较大,为480万元。

②经过雨水利用平衡计算,优化方案三(雨水调蓄池)每年可节约自来水4122立方米,直接经济效益达1.2万元/年(不含节省的污水处理费)。

对比可发现:优化方案一以及优化方案二前期成本高,后期运营成本较低;生态效果较好;优化方案三前期成本低,但是后期运营成本较高;生态补水效果较差。
4.结论

在城市化进程加快的背景下,以高密度开发为主的地块,成为土地资源不足城市(如深圳)的重要建设类型。因高密度开发下在物质空间与人口方面与常规开发存在巨大差异,这些差异是影响海绵城市设计方案的关键,本文研究的高密度开发强度下如何达到海绵城市建设指标要求,是当前推进海绵城市建设的难点和重点,具有重要的实际意义。

海绵城市建设不能为了指标而指标。最重要的是恢复开发前原有的水生态。本文通过对某地块的核算的建议为例,简要说明了高密度开发区如何达标的路径和思路,目前,关于高密度开发下的海绵设施实际建设指引、监测、政策补贴等仍然不足,应尽早制定针对高强度开发情况的海绵城市建设全流程管控方案。